【火箭發動機正在進行關鍵測試】
2017 年，瑞士聯邦理工學院運用 3D 打印技術制造出瞭世界上第一個軟體人工心臟。
疫情期間，由於醫療防護物資緊缺，基於 3D 打印技術的口罩、護目鏡等一時間也派上瞭用場。
其實，3D 打印技術已在模具制造、工業設計、航空航天、工程施工、醫療、教育、地理信息系統、汽車等垂直領域受到瞭廣泛應用，而 3D 打印通常采用數字技術材料打印機來實現，即我們常說的 3D 打印機。
3D 打印機雖然在工作原理上與普通打印機基本相同，但打印材料卻不同——3D 打印機內裝有粉末狀的金屬、陶瓷、砂、塑料等可粘合打印材料。
那麼，除瞭 3D 打印機，還有什麼工具可以實現 3D 造物？
最近一組韓國科學傢給出瞭答案：一支看似平平無奇的馬克筆。
用筆寫下幾個字母，它們在脫離玻璃“畫板”後，竟然有瞭 3D 立體的樣子。
2021 年 3 月 24 日，相關研究成果正式發表於知名學術期刊《科學-進展》（Science Advances），題為 Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings（直接實現 2D-3D 轉換的畫筆）。
論文作者來自韓國首爾國立大學（Bio-MAX 研究院、電子與計算機工程系、生物工程跨學科項目、納米系統研究所）、國立蔚山科學技術院（材料科學與工程系、多維可編程物質研究中心）。
一支神筆，兩種材料
無疑，二維制造簡單，適合大規模生產，但其輸出僅限於平面結構。相比之下，3D 制造的設計和制造過程相對緩慢、復雜。
基於此，科學傢們打造 3D 結構的一個思路是 2D 向 3D 轉換——也就是說，基於容易制備的 2D 結構，構建復雜的 3D 結構，從而使得 3D 制造的效率提升、難度降低。此前就有科研團隊通過將二維平面薄片折疊、彎曲和組裝，實現瞭諸如折紙、形狀記憶復合材料甚至 4D 打印的例子。
思路有瞭，具體采用什麼載體來實現呢？
研究團隊想到瞭二維空間中最具創意、最方便也最常見的思想表達工具：筆。
他們希望通過開發一種新型 2D-3D 轉換技術，將畫筆之下原本的 2D 形狀轉換成 3D 物體。
這一方法基於一種形變機制，研究人員將這種機制稱為“表面張力輔助轉化”（Surface tension–assisted transformation，STAT）。
簡單來講就是，畫筆畫下形狀、油墨變幹成膜後，受到表面張力驅動的油墨膜會選擇性從“畫板”上剝離下來。
問題來瞭，為什麼是選擇性剝離呢？
原因就在於研究團隊用到的兩種材料：
一是含有聚乙烯醇縮丁醛（PVB）樹脂的油墨，在幹燥後形成疏水性薄膜。當 PVB 膜浸入水溶液中，會受毛細作用力與“畫板”分離，接著受表面張力漂浮在水溶液表面。
二是表面催化自由基聚合（SCIRP），即一種高分子塗層，主要用於固定、強化 PVB 薄膜的 3D 結構。
高自由度 2D-3D 轉變
實際上，這種方法具有很高的自由度，主要體現在三個方面。
一是它可以在由各種材料制成的“畫板”上制造 3D 結構，比如玻璃、塑料、聚二甲基矽氧烷（PDMS）、陶瓷、金屬等。
二是“畫板”也不必是平整的表面，石頭、葉子上都可以進行 3D 制造。
三是可以在傳統 3D 打印系統難以打印的位置操作。比如研究團隊基於聚二甲基矽氧烷（PDMS）薄膜上畫下形狀，最終設計出瞭“不可能的瓶子”。
需要解釋的是，上面這種“不可能的瓶子”在數學領域被稱為是“克萊因瓶”（Klein Bottle），指一種無定向性的平面，在拓撲學中是一個不可定向的拓撲空間。
可見，這種形變機制簡單直觀，並不需要很高的技術水平來預測產生的結構轉換，也不需要笨重的設備。
值得關註的是，這一方法還可以與傳統印刷技術相結合，結合繪圖（低成本、簡單）和印刷（大批量生產復制）的特點，比如像下面這樣批量生產 3D 小紅花。
不難想象，未來基於 CAD（計算機輔助設計）和自動印刷系統，這種方法將會用於更為精確的大批量制造。
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